JP4323917B2 - 相対的タイミングドリフトの低減方法 - Google Patents

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Description

本発明は、超短パルス幅レーザーの技術分野に属し、特に極小（すなわちミクロンスケール）の機械的な動作を実行するための装置および方法の技術分野に属する。
関連する研究で、レーザーが能動的にモード同期している場合にも受動的にモード同期している場合にも、あるいは受動モードロックレーザーと能動モードロックレーザーとの組み合わせの場合にも、二つのモードロックレーザーの間でタイミングを安定化させるために、数種類の方法が使用されてきた。同期化のために使用された方法は、大きく分けて（１）受動光学的方法と（２）電子的安定化との二つのタイプに分かれる。最も高い同期精度は、二つのレーザーを光学効果を介して干渉させる受動光学的方法によって達成される（例えば、非特許文献１−４参照）。
これらの光学効果（例えば相互位相変調等）は、一パルス幅（１００フェムト秒未満）以下に同期される二つのレーザー間での強固なモード同期を発生させる。これらは最も正確な同期化をもたらすものの、レーザー間の時間遅れは強固に固定されている。そのため、これらの間の時間遅れを走査するためには、通常の物理的な走査遅延方法を使用せざるを得ない。
単純なＲＦ位相検知を使用した電子的な安定化によれば、相対的な時間遅れを調整する上で最も柔軟性が得られるが、しかし現時点ではこれらのシステムは、２〜３ピコ秒よりも良好なタイミングの正確さを維持することができない。このようなシステムは、外部の参照周波数に合わせてＴｉ：サファイア・レーザーを安定化させたり、二つのモードロックＴｉ：サファイア・レーザーの同期を取ったりするために、市販されている（スペクトラフィジックス Lok-to-Clock/TM システム）。パルス光学位相同期ループ（ＰＯＰＬＬ）を使用すれば、１００フェムト秒よりも良好な安定化が達成される（これはハイブリッド光学電子的方法であって、非特許文献５参照）。同文献では、電子安定化回路が、光学的相互相関器からのタイミング誤差信号をもたらす。しかしながら、この方法は、受動的光学方法としての同じタイミング調整の同期（ロック）を被っている。タイミングの調整は、一つのパルス幅未満でのみ可能である。それゆえ、ＰＯＰＬＬ法を使用するに際して、一つのパルス幅より少しでも大きく相対パルスタイミングを変更したい場合には、一つのレーザービームの中にある種の物理的な遅延線を挿入することが必要になるであろう。
もしもレーザー固有のタイミングジッターが低減されるのであれば、ＲＦ法によるタイミング安定化の性能を向上させることができるであろう。二つのレーザーができる限り同一の環境条件に置かれることにより、固有のレーザージッターのある程度の低減が可能である。スティッキーパルス・レーザーは、Dykaar et al. に開示されているが、Ｔｉ：サファイア・レーザー結晶の空間的に分かれている二つの領域をポンピングするために、空間的に分割されたレーザービームを採用している。これには、二つの分割されているレーザーが、エンドミラーを除いて同じポンプレーザー、レーザー結晶、空気の空間、およびその他のキャビティー内の要素のほとんどを共有していることが不可欠である。このようにすれば、二つのレーザーは、同じ温度変動、ポンプレーザーのノイズ、および擾乱を経験するので、反復率のジッターにおける差異が最低限に抑制される。こうすれば、たとえ二つのレーザー間での光学的干渉が弱くても、複数のパルスを一緒に同期（ロック）することができる。「環境的カップリング」の一般的な原則は、モードロック・ファイバーレーザーを含む他の形式のレーザーにも適用可能である。しかしながら、Dykaar et al. の目的は二つのレーザーを一緒にロックすることであり、本発明の目的とするところでは好ましくないことに注意すべきである。なぜならば、この時間遅れは走査できないからである。すなわち、前述のスティッキーパルス・レーザーの二つのカップリングされたレーザーからのタイミングパルスは、光学的カップリングを通して一緒にロックされるものであり、独立に制御することはできないからである。
J.M.Evans, D.E.Spence, D.Burns, and W.Sibbet; "Dual-wavelength selfmode-locked Ti:sapphire lasers." Opt.Lett., 13, pp.1074-7, Jul.1, 1993 M.R.X.de Barros and P.C.Becker; "Two-color synchronously mode-locked femtosecond Ti:sapphire laser." Opt.Lett., 18, pp.631-3, Apr.15, 1993 D.R.Dykaar and S.B.Darak; "Stickly pulses:two-color cross-mode-locked femtosecond operation of a single Ti:sapphire laser." Opt.Lett., 18, pp.634-7, Apr.15, 1993 Z.Zhang and T.Yagi, "Dual-wavelength synchronous operation of a mode-locked Ti:sapphire laser based on self-spectrum splitting." Opt.Lett., 18, pp.2126-8, Dec.15, 1993 S.P.Dijaili, J.S.Smith, and A.Dienes, "Timing synchronization of a pasively mode-locked dye laser using a pulsed optical phase locked loop" Appl.Phisics.Lett., 55, pp.418-420, Jul.1989
本発明の目的は、振動や空気の乱れ、温度変化などの環境条件の変動により生じるタイミングジッターを、最小限に低減することである。
本発明の短パルスレーザー安定制御方法は、ファイバースプールに巻き付けられている光ファイバーからなる短パルスレーザーを外部環境から隔離する隔離ステップを有している。
ファイバースプールは、遮音されているようにするとよい。
ファイバースプールの熱膨張係数と前記光ファイバーの熱膨張係数とは、互いに一致しているとよい。
二つの短パルスファイバーレーザーからなる場合は、二つのファイバーレーザを同一のファイバースプールに巻き、単一の容器内に設置するとよい。
短パルスレーザーをゼロ分散波長付近で作動させることにより、タイミングジッターを量子限界にまで低減するようにするとよい。
１）外部環境から隔離されるので、外部環境の影響を受けない。
２）遮音されるので、音（空気の振動）による影響を受けない。
３）温度変化の影響を受けない。
４）二つの短パルスレーザーの相対的なタイミングドリフト及び絶対的なタイミングドリフトを低減することができる。
発明を実施するための最良の形態及び実施例
図１に、二つのファイバーレーザーすなわちマスターレーザー２１０およびスレーブレーザー２２０を採用している本発明の好ましい実施例を示す。
両レーザー２１０，２２０は、同じレーザーダイオードＬＤ ２０５によってポンピングされており、同レーザーダイオードのパワーはスプリッターＳＰＬ ２０６により二つのレーザーへと分割されている。マスターレーザー２１０は、ファラデー回転子（旋光器）ミラーＦＲＭ ２１５によって終端が形成されている。一方、スレーブレーザー２２０は、光学アセンブリＰＺＴ−ＦＲＭ ２２５によって終端が形成されている。これはＦＲＭ ２１５とほぼ同じであるが、ミラーがＰＺＴ上に取り付けられている点が異なっている。二つのファイバーレーザー２１０，２２０は、同一のモード同期光学系（すなわち波長板λ／４，λ／２、ファラデー回転子ＦＲ、および偏光ビームスプリッタＰＢＳ）を構成要素としている。レーザーモード同期は、飽和吸収器ＳＡによって始動される。両レーザー２１０，２２０の低雑音出力ポートからの出力パルスは、それぞれフォトダイオードＰＤ−１，ＰＤ−２よって検知される。両フォトダイオードは、駆動安定器１３０によって使用される。
両ファイバーレーザー２１０，２２０は、ν0 ＝４．６２９ＭＨｚの公称反復率を持っている。これらは、ファーマン等の文献（ M.E.Ferman, L.M.Yang, M.L.Stock, and M.J.Andrejco, "Enviromentally stable Kerr-type mode-locked erbium fiber lazer producing 360-fs pulses." Opt.Lett., 10, pp.43-5, Jan.1994）に開示されている。同文献では、モード同期機構として非線形偏光エヴォルーション（ＮＰＥ）が使用されている。両レーザー２１０，２２０は、ファラデー回転子ミラーを除いて、同一の構成要素を持っている。すなわち、マスターレーザー２１０は、シングルパッケージのファラデー回転子ミラーＦＲＭ ２１５で終端を形成されている。一方、スレーブレーザー２２０は、ＦＲＭと同一ではあるがミラーがＰＺＴ上に取り付けられている分離した構成要素であるアセンブリーＰＺＴ−ＦＲＭ ２２５によって終端が形成されている。ここで使用されているＰＺＴは、全移動行程が４０ミクロンのものである。両レーザー２１０，２２０は、同じファイバースプール２８０に一緒に巻き付けられることにより、熱的および力学的にカップリングされている（同一状態に保たれている）。そのうえ、両レーザー２１０，２２０は、同じポンプレーザーダイオードＬＤ ２０５によってポンピングされているので、二つのレーザー内のポンプノイズは相関している。両レーザー２１０，２２０間の相対的なタイミングは、ＰＬＬ回路を含む安定器１３０によって設定され安定化されている。ひとたび安定器１３０が稼働し両レーザー２１０，２２０が適正な遅れに設定されると、走査させるようにスレーブレーザー２２０のＰＺＴに動揺信号が印加される。動揺信号は、信号発生器１３５により印加され、ＰＺＴを駆動するための信号を生成するために、安定器１３０からの安定化信号出力に加えられる。あるいは、安定器１３０の出力が安定化信号および動揺信号の両方を含んでいるようにして、安定器１３０から動揺信号を発生させても良い。いずれのレーザー２１０，２２０も、キャビティー内の偏光器に関連した二つの出力ポートをそれぞれ持っている。これら二つの出力ポートは、図１中に各ＰＢＳの二つの出力として図示されている。これら二つのレーザー出力は、互いに極めて異なった雑音特性を持っている。すなわち、一方はいくぶん雑音があり、他方はほとんど雑音がない。これは、この種のレーザーに起こることが知られている（ＮＰＥに起因する）光学限界効果のゆえである。安定化回路１３０への入力を生成するフォトダイオードＰＤ−１，ＰＤ−２によって検出されのは、この静かな出力ビームである。安定化回路１３０への入力として静かな出力ビームを使うことは、タイミングジッターを最小限に抑制する助けになる。
正弦波時間走査は、このツインファイバーレーザーシステムを使用したインバーターによって達成される。図２は、図１に示した二つのファイバーレーザー２１０，２２０の間の相互相関走査（クロスコリレーション・スキャン）の二サイクルを示している。この相互相関走査は、平均化なしの単発のデータ取得により収集されたデータである。より詳しくは、走査周波数１０６Ｈｚ、走査範囲２００ピコ秒における本発明の動揺方法により走査させられている二つのファイバーレーザー２１０，２２０間の相互相関信号を、図２は示している。ここで、図２はフルに二サイクル分の走査を図示しており、前進走査（フォウォードスキャン）および後退走査（バックウォードスキャン）を示している。併せて、ＰＺＴ制御器に印加されている正弦波電圧と、矩形波として現れている信号発生器１３５のトリガー出力とが図示されている。図２のプロットは、二つのレーザー２１０，２２０からのパルスを、非線形結晶すなわちベータバリウム・ボレート（ＢＢＯ）結晶内での和周波混合（サム・フリーケンシー・ミキシング）を使用した変形相互相関器を通して得られたものである。
走査の機械的な遅延（遅れ、ディレイ）は、公知の相関器（コリレーター）の一枝（ワンアーム）の中で使用される。しかしながら、本発明の相関器では、機械的な遅延は使用されていない。全ての走査は、前述のレーザー動揺法によって行われている。また図２には、ＰＺＴ制御器に印加されている正弦波電圧と、信号発生器１３５からのトリガー出力とが図示されている。グラフ上にマークされたＰＺＴの移動端は、印加された正弦波から９０度だけ位相が外れていることに留意されたい。走査範囲は、走査周波数１００Ｈｚで約２００ピコ秒である。これは、反復率１００Ｈｚでの３ｃｍの物理的な遅延と等価である。しかし、このツインレーザーシステムでは、これと同じ走査範囲が、スレーブレーザー２２０のＰＺＴをほんの２〜３ミクロンだけ動かすことにより達成されている。
この相互相関法は、二つのレーザー２１０，２２０間のタイミングジッターを計測するために使用された。タイミングの較正は、２０ピコ秒だけ分離されたパルス列を作り出す厚さ２ｍｍのガラスエタロンを相関器の一枝に挿置することにより、行われている。これらのパルス列は、図２中の走査上で明瞭に視認できる。図３は、同じ走査を引き伸ばした時間スケールで図示している。同図から、２ｍｍのガラスエタロンを相関器の一枝に挿置することによって生成されたごく近傍に間隔を空けている二つのパルス（一つのレーザーはサテライトパルスを持っている）と、この一対のパルスの複製とが見て取れる。この一対のパルスは、エタロンの光学的厚さに対応している２０ピコ秒だけ、主たる（メイン）パルス対（つい）から離れている。ここで、パルス幅は１ピコ秒のオーダーにあり、またサテライトパルスは２〜３ピコ秒だけメインパルスから離れて存在している。したがって、ＲＭＳタイミングジッターは、±２０ピコ秒までの状況によるタイミングの偏差を伴って、ΔＴj ＝５ピコ秒と測定された。タイミングジッターのデータは図４に示されており、同図では各データポイントが、走査率１０６Ｈｚでの各レーザー２１０，２２０の走査間の相対的な時間遅れを表している。この計測されたジッターは、安定器１３０の電子的ＰＬＬ回路の精度の限界を例示していると共に、これだけのジッターにもかかわらず如何に精密にタイミングの情報が得られるかをも例示している。もし走査が十分に急速に行われるのであれば、走査時間内の相対的なタイミングジッターは、極めて小さくすることができる。そして、例えばレーザパルスをエタロンに通すことにより、もし安定なタイミングパルス列が得られるのであれば、走査時間の間のジッターさえも正確に知ることができる。このようにして、レーザーに数ピコ秒のジッターがありながらも、走査特性はサブピコ秒の精度で明らかになる。
一緒にパッケージ（コ・パッケージング）された複数のレーザーの効用は、重大である。
以前に本発明者により組み立てられたあまりうまくないデュアルレーザーシステムでは、同様の一対のレーザーが異なる基台（ブレッドボード）上に別々に組み上げられており、異なるレーザーによってポンピングされていた。安定器を使用しても、ＰＺＴの移動範囲の４０ミクロンをキャビティー長のミスマッチが超える前に、そのスレーブレーザーがマスターレーザーに追随していたのは、わずかに３０分程度であった。この（ミスマッチが４０ミクロンを超える）時点で、追随（トラッキング）は不可能となった。それゆえ、正常な室温の下にあっても、５ＭＨｚレーザーの一対の間でのキャビティー長のミスマッチのドリフトは、大半のＰＺＴの可動範囲である４０ミクロンを容易に超えてしまった。
これとは対称的に、本発明の一緒にパッケージされたシステムは、無期限に追従することができるので、正常な室内状態の下でＰＺＴによる４０ミクロンの制限内にキャビティー長のミスマッチが見事に留まっていることを示している。周波数ドリフトの絶対値の計測と相対値の計測によれば、二つのレーザー２１０，２２０の間の相対的な周波数ドリフトは、一つのレーザーの絶対的なドリフトの７分の１程度に小さいことが分かる。相対的なドリフトは、製作上で二つのレーザーを真に同一に作ることにより、さらに小さく改善することができる。これは、両レーザー２１０，２２０の終端を同一のＰＺＴ−ＦＲＭアセンブリで形成することによるか、または両レーザー２１０，２２０の終端を同一のＦＲＭパッケージで形成し、スレーブレーザー２２０のキャビティー長をファイバー・ストレッチャーで変更することにより、達成することができる。
相対的タイミングドリフトおよび絶対的タイミングドリフトの両方をさらに低減するには、ファイバースプール２８０および他の構成要素を遮音して、同じ容器内に二つのレーザーを構成すると良い。こうすると遮音されるし、温度も制御される。つまるところ、前述の各方法の全てを用いて、相対的タイミングジッターは量子限界にまで達した（ H.A.Haus and A.Mecozzi, "Noise of mode-locked lasers," IEEE J. Quantum Electron., QE-29, pp.983-996, March 0993）。量子限界によるタイミングジッターは、分散（ディスパーション）の増大に伴って増大するので、分散ゼロの波長の付近でモードロックレーザーを作動させることにより、ジッターはさらに低減されうるであろう。
モードロックレーザーのエンドミラーを動揺させることにより、ミラーのミスアラインメントとピント外れとのせいで、走査周波数における振幅の変動が誘起される。ミスアラインメントの作用は、角度の感度を減らすようにＰＺＴミラーに焦点を結ばせることにより、また、市販のファブリペロー干渉計でできるがアラインメントを保つように三点ミラー走査ＰＺＴを用いることによって、最小化される。ピント外れの影響は、ＰＺＴミラーへのビームウエスト入射（ビーム・ウエスト・インシデント）の共焦点パラメーターに対し、走査振幅が許容できる程に小さいときに、発生しうる。ファイバーレーザーにおいて、このピント外れは、ファイバー内に戻ってくるビームの結合効率（カップリング・エフェシエンシー）の減少を起こし、今度はパワーの変動を起こす。それゆえ、ＰＺＴミラーの焦点深度が浅いこと（タイト・フォーカシング）は、望ましくないことである。ビームのコリメーションの賢明な選定により、このピント外れの影響を低減することができる。例えば、もし４０ミクロンの走査範囲を持つＰＺＴを使用すると、共焦点パラメーターは少なくとも２〜３ｍｍは必要であろう。そこで、ＺR がＰＺＴミラーでのビーム・ウェイストの共焦点パラメーターであるとして、（ΔＬ／ＺR）2の量がおおよそ１０-4であるというのはかなり小さい。この量が小さければ、レーザーの振幅変調はこれに伴って小さい。
たとえもしミラーの軽度のミスアラインメントが走査中の振幅にいくらかの変動をもたらしたとしても、ファイバーの導波特性（ガイディング・プロパティー）の故に、ビーム指向性（ポインティング）の安定性はいささかも減退しない。しかしながら、ソリッドステート・モードロックレーザーを使用した場合には、もし出力ビームの偏差の発生を防止するように計測が行われないならば、いくらかの出力ビームの偏差が生じる可能性がある。
変形態様のレーザーシステムとして、同一のＦＲＭで両レーザーの終端が形成されていても良く、またキャビティー長がＰＺＴファイバー・ストレッチャーにより調整されるようになっていても良い。このようなピエゾセラミックチューブ・アクチュエータ（ＰｉＴ ４０×１８×１）は、ドイツのピエゾメカニック株式会社により製造されている。
本発明は、好ましい実施例を参照して説明されてきたが、これらの実施例に応用が限定されることはない。以上の開示と教唆から、本発明に対するその他の変形態様やヴァリエーションがあることは、当業者にとっては明白である。したがって、ここで取り上げて説明してきた本発明の実施例はほんのいくつかのであるが、本発明の思想および見解から離れることなく、なおその上に数々の変形が可能であることは明白である。
本発明のツインファイバーレーザーシステムの構成を示す模式図（同システムでは、両レーザーのファイバーは同じ軸に巻かれており、モード同期機構として非線形偏光展開（エヴォルーション）を使用する二つの同一のモードロック・ファイバーレーザーを使用。） 本発明の動揺法により走査された二つのファイバーレーザーの間の相互相関信号を示すグラフ 本発明の動揺法により走査された二つのファイバーレーザーの間の相互相関信号を示す拡大グラフ 本発明の動揺法により走査された二つのファイバーレーザーの間のタイミングジッターを示すグラフ
符号の説明
１３０：ＰＬＬ回路安定器
１３５：信号発生器
２１０：マスターレーザー
２２０：スレーブレーザー
２０６：スプリッター（ＳＰＬ）
２１５：ファラデー回転子ミラー（ＦＲＭ）
２２５：光学アセンプリ（ＰＺＴ−ＦＲＭ）
２５０：レーザーダイオード（ＬＤ）
２８０：ファイバースプール

Claims (3)

  1. いずれもファイバーレーザーである第１短パルスレーザーと第２短パルスレーザーの相対的タイミングドリフトの低減方法であって、
    前記第１短パルスレーザーのキャビティー長と前記第２短パルスレーザーのキャビティー長のミスマッチを低減するように、前記第１短パルスレーザーおよび前記第２短パルスレーザーを同一の装置で構成するステップと、
    前記第１短パルスレーザーおよび前記第２短パルスレーザーを共通のレーザーでポンピングするステップと、
    前記第１短パルスレーザーおよび前記第２短パルスレーザーの少なくとも一部を共通のファイバースプールに巻き付けるステップと、
    前記第１短パルスレーザーおよび前記第２短パルスレーザーを単一の容器内に設置して、前記第１短パルスレーザーおよび前記第２短パルスレーザーを外部環境から隔離するステップと、
    前記第１短パルスレーザーおよび前記第２短パルスレーザーの少なくとも一方のキャビティー長をファイバー・ストレッチャーで変更することより、前記第１短パルスレーザーのキャビティー長と前記第２短パルスレーザーのキャビティー長のミスマッチの時間平均値をゼロに維持するステップと、
    を有することを特徴とする相対的タイミングドリフトの低減方法。
  2. いずれもファイバーレーザーである第１短パルスレーザーと第２短パルスレーザーの相対的タイミングドリフトの低減方法であって、
    前記第１短パルスレーザーのキャビティー長と前記第２短パルスレーザーのキャビティー長のミスマッチを低減するように、前記第１短パルスレーザーおよび前記第２短パルスレーザーを同一の装置で構成するステップと、
    前記第１短パルスレーザーおよび前記第２短パルスレーザーを共通のレーザーでポンピングするステップと、
    前記第１短パルスレーザーおよび前記第２短パルスレーザーの少なくとも一部を共通のファイバースプールに巻き付けるステップと、
    前記第１短パルスレーザーおよび前記第２短パルスレーザーを単一の容器内に設置して、前記第１短パルスレーザーおよび前記第２短パルスレーザーを外部環境から隔離するステップと、
    前記第１短パルスレーザーのキャビティー長と前記第２短パルスレーザーのキャビティー長のミスマッチの時間平均値をゼロに維持するステップと、
    を有し、前記ファイバースプールは、遮音されていることを特徴とする相対的タイミングドリフトの低減方法。
  3. いずれもファイバーレーザーである第１短パルスレーザーと第２短パルスレーザーの相対的タイミングドリフトの低減方法であって、
    前記第１短パルスレーザーのキャビティー長と前記第２短パルスレーザーのキャビティー長のミスマッチを低減するように、前記第１短パルスレーザーおよび前記第２短パルスレーザーを同一の装置で構成するステップと、
    前記第１短パルスレーザーおよび前記第２短パルスレーザーを共通のレーザーでポンピングするステップと、
    前記第１短パルスレーザーおよび前記第２短パルスレーザーの少なくとも一部を共通のファイバースプールに巻き付けるステップと、
    前記第１短パルスレーザーおよび前記第２短パルスレーザーを単一の容器内に設置して、前記第１短パルスレーザーおよび前記第２短パルスレーザーを外部環境から隔離するステップと、
    前記第１短パルスレーザーのキャビティー長と前記第２短パルスレーザーのキャビティー長のミスマッチの時間平均値をゼロに維持するステップと、
    を有し、前記ファイバースプールの熱膨張係数と前記光ファイバーの熱膨張係数とが互いに一致していることを特徴とする相対的タイミングドリフトの低減方法。
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